第 一 章 半导体器件基本方程
半导体物理与材料
E1
允带
Ec
E(K)Energy
E2
禁带
简化为 电 子
能 量
Eg
E3
K
Ev
Eg EC EV
Einstein光电效应实验。我们简单回顾一下。这个实验引入了重 要的一个关系。图1-5c 中的直线的斜率是h/q。因此h可以通过这个实 验测得。Y轴的截止电压由金属的功函数（work function）W决定。 光子（photon）的能量为E=hν，只有当入射光的能量大于W时，才 使电子从金属表面逸出，并产生光电流。
世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨（日本1999年的 GaAs单晶的生产量为94吨，InP为27吨），其中以低位错密 度生长的2～3英寸的导电GaAs衬底材料为主。
InP具有比GaAs 更优越的高频性能，发展的速度更快； 但不幸的是，研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技 术尚未完全突破，价格居高不下。
半导体电导率的特征：
1、 变化范围很宽； 2、 随温度上升明显； 3、 随掺杂浓度增加（其中少量杂质电离，载
流子浓度剧增），电导率急剧增加）； 4、 波长合适的光照射，光激发会使载流子浓
度和电导率增加（这实际上就是半导体的光 电导现象）。
➢ 除了半导体的电导率具有以上几方面特征之外， 许多半导体材料述还有比金属明显得多的温差电效 应、磁电效应和压电效应。此外，半导体的pn结、 金属与半导体的接触、不同种半导体材料的接触 (即异质结)等由界面所表现出来的结特性以及电场 对半导体表面的场效应等也是半导体的一些重要特 性。
The band gap of the most commonly used semiconductors is of order 1eV,for Si,Eg=1.1eV.
832微电子器件考试大纲详细
考试科目832微电子器件考试形式笔试（闭卷）考试时间180分钟考试总分150分一、总体要求主要考察学生掌握“微电子器件”的基本知识、基本理论的情况，以及用这些基本知识和基本理论分析问题和解决问题的能力。
二、内容1．半导体器件基本方程1）半导体器件基本方程的物理意义2）一维形式的半导体器件基本方程3）基本方程的主要简化形式2．PN结1）突变结与线性缓变结的定义2）PN结空间电荷区的形成4）耗尽区宽度、内建电场与内建电势的计算5）正向及反向电压下PN结中的载流子运动情况6）PN结的能带图7）PN结的少子分布图8) PN结的直流伏安特性9）PN结反向饱和电流的计算及影响因素10）薄基区二极管的特点11）大注入效应12）PN结雪崩击穿的机理、雪崩击穿电压的计算及影响因素、齐纳击穿的机理及特点、热击穿的机理13）PN结势垒电容与扩散电容的定义、计算与特点14）PN结的交流小信号参数与等效电路15）PN结的开关特性与少子存储效应2）基区输运系数与发射结注入效率的定义及计算3）共基极与共发射极直流电流放大系数的定义及计算4）基区渡越时间的概念及计算5）缓变基区晶体管的特点6）小电流时电流放大系数的下降7）发射区重掺杂效应8）晶体管的直流电流电压方程、晶体管的直流输出特性曲线图9）基区宽度调变效应10）晶体管各种反向电流的定义与测量11）晶体管各种击穿电压的定义与测量、基区穿通效应12）方块电阻的概念及计算13）晶体管的小信号参数14）晶体管的电流放大系数与频率的关系、组成晶体管信号延迟时间的四个主要时间常数、高频晶体管特征频率的定义、计算与测量、影响特征频率的主要因素15）高频晶体管最大功率增益与最高振荡频率的定义与计算，影响功率增益的主要因素4．绝缘栅场效应晶体管（MOSFET）1）MOSFET的类型与基本结构2）MOSFET的工作原理3）MOSFET阈电压的定义、计算与测量、影响阈电压的各种因素、阈电压的衬底偏置效应4）MOSFET在非饱和区的简化的直流电流电压方程5）MOSFET的饱和漏源电压与饱和漏极电流的定义与计算6）MOSFET的直流输出特性曲线图7）MOSFET的有效沟道长度调制效应8）MOSFET的直流参数及其温度特性9）MOSFET的各种击穿电压10）MOSFET的小信号参数11）MOSFET跨导的定义与计算、影响跨导的各种因素12）MOSFET的高频等效电路及其频率特性13）MOSFET的主要寄生参数14）MOSFET的最高工作频率的定义与计算、影响最高工作频率的主要因素15）MOSFET的短沟道效应以及克服短沟道效应的措施。
半导体物理第1章 半导体中的电子状态
能带成因
当N个原子彼此靠近时，根据不相容原理 ，原来分属于N个原子的相同的价电子能 级必然分裂成属于整个晶体的N个能量稍 有差别的能带。
S i1 4 :1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 2
能带特点
分裂的每一个能带称为允带，允带间的能量范 围称为禁带
一.能带论的定性叙述 1.孤立原子中的电子状态
主量子数n:1,2,3,…… 角量子数 l：0，1，2，…（n－1）
s, p, d, ... 磁量子数 ml：0，±1，±2，…±l 自旋量子数ms：±1/2
n1
主量子数n确定后：n= 2(2l 1) 2n2 0
能带模型：
孤立原子、电子有确定的能级结构。 在固体中则不同，由于原子之间距离很近，相互
Ⅲ-Ⅴ族化合物，如 G a A S , I n P 等 部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞
等半金属材料。
1.1.3 纤锌矿型结构
与闪锌矿型结构相比 相同点 以正四面体结构为基础构成 区别 具有六方对称性，而非立方对称性 共价键的离子性更强
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1原子的能级和晶体的能带
1.3半导体中电子的运动——有效质量
1.3.1半导体中的E(k)与k的关系 设能带底位于波数k，将E(k)在k=0处按
泰勒级数展开，取至k2项，可得
E (k)E (0 )(d d E k)k 0k1 2(d d k 2E 2)k 0k2
由于k=0时能量极小，所以一阶导数为0，有
E(k)E(0)1 2(d d2E 2k)k0k2
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 结晶学原胞结构特点 两类原子各自组成的面心立方晶格，沿
半导体器件基础知识
♦ PN结的电流方程 — 伏安特性方程
u
i = IS (eUT −1) ,
UT
=
kT q
26 mV
IS ：反向饱和电流 UT ：温度电压当量
反向截止
正向特性
反向击穿
齐纳击穿 雪崩击穿
四、PN 结的电容效应
1、 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，
有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其 等效电容称为势垒电容Cb。 2、 扩散电容
由一个PN结组成， 反向击穿后在一定 的电流范围内端电 压基本不变，为稳 定电压。
斜率？
2、主要参数
进入稳压区的最小电流
稳定电压UZ、稳定电流IZ
不至于损坏的最大电流
最大功耗PZM＝ IZM UZ
动态电阻rz＝ΔUZ /ΔIZ
若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则 会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压 管电流的限流电阻！
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管
一、二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
一、二极管的组成
点接触型：结面积 小，结电容小，故 结允许的电流小， 最高工作频率高。
例：已知UZ、 [IZmin , IZmax]、RL ，求限流电阻R的取 值范围。
➢ Uo =UZ ➢ IDz [IZmin , IZmax]
IR
=
I DZ
+ Uz RL
R = UI −UZ IR
例 现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向
半导体、二级管和三极管概述
PN结加反向电压
PN结加反向电压时， 内建电场被增强，势垒 高度升高，空间电荷区 宽度变宽。这就使得多 子扩散运动很难进行， 扩散电流趋于零；
而少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。
流过PN结的反向电流称为反向饱和电流(即IS)， PN结呈现为大电阻。由于IS很小,可忽略不计,所 以该状态称为：PN结反向截止。 总结 PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电 流， PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的 反向饱和电流IS，考虑到IS≈0，则认为PN结截止。
基区空穴 的扩散
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动Байду номын сангаас成基极电 流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
电流分配：
IE＝IB＋IC
IE－扩散运动形成的电流 IB－复合运动形成的电流 IC－漂移运动形成的电流
直流电流 放大系数
IC IB
iC iB
交流电流放大系数
I CEO (1 ) I CBO
稳压管的伏安特性
稳压管的主要参数 稳定电压Uz：Uz是在规定电流下稳压管的反向击 穿电压。 稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时， 稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大 稳定电流IZmax之分。
（6）其它类型二极管 发光二极管：在正向导通其正向电流足够大时， 便可发出光，光的颜色与二极管的材料有关。广 泛用于显示电路。
图4 本征半导体中 自由电子和空穴
本征半导体的载流子的浓度 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空 穴对的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就 会填补空穴，使两者同时消失。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与 空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达 到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是 一定的，并且自由电子与空穴浓度相等。
半导体器件物理 (1)
4.71018
7.01018
1.43
Carrier Concentration
Q5：对于自由电子浓度分别为n1,n2的两 块同样半导体，其费米能级位置之间有 何关系？（EC，T一样）
Carrier Concentration
EF 1 - E F 2 n1 kT ln n 2
Q3
注意界面和表面的区别！
能带图
能带跃迁
“摩尔定律”：处理器 (CPU)的功能和复杂性 每年(其后期减慢为18个 月)会增加一倍，而成本 却成比例地递减。
在技术上，摩尔定律依然勇往 直前
1985年到2003年英特尔近20年股 票走势，如今与摩尔定律开始背离
Homework 1
Q4：一旦Ge含量在纵向不均匀，线性分 布0%~40%, 请再考虑能带图。
1.1 半导体材料和载流子模型
Crystalline,Polycrystalline,Amorphous
Solids
Metal,Semiconductor,Insulator
Semiconductor Material — three generations
First generation单晶硅棒
Si、Ge、GaAs的有效质量、有 效状态密度及禁带宽度（300K)
mn*/m0 mp*/m0 NC(cm-3) NV(cm-3) Eg(eV) Si 0.23 0.12 2.81019 1.01019 1.12
Ge
0.03
0.08
1.01018
6.01018
0.67
GaAs
0.07
0.09
Question Continue
模电第一章课件
图1.6 PN结的形成过程
空间电荷区：在交界面附近出现的带电离子集中 的薄层，又称耗尽层、阻挡层。
内电场：空间电荷区的左半部是带负电的杂质离 子，右半部是带正电的杂质离子，空间电荷区中 就形成一个N区指向P区的内建电场。
接触电位差 U ：达到动态平衡后的PN结， 内建电场的方向由N区指向P区的电位差。
1.1 半导体的基础知识 1.2 PN结与半导体二极管 1.3 特殊二极管
1.4 半导体三极管
1.5 场效应晶体管
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 导体、绝缘体、和半导体 1.1.2 本征半导体 1.1.3 杂质半导体
1.1.1 导体、绝缘体和半导体
导体:导电的物质，如铜、铝、铁、银等。 绝缘体:不导电的物质，石英、橡胶等。 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之 间。常用的半导体材料有硅(Si)、锗 (Ge)、砷化镓(GaAs)等。
4．最大反向工作电压UFM：二极管安全运行时所能承受的最大反向电压。一 般取击穿电压U(BR)的一半作为UFM 。
5．反向电流：指二极管未击穿时反向电流。IR 值越小，二极管单向导电性越 好。随温度变化而改变。 6. 最高工作频率fM ：fM 由PN结的结电容大小决定。二极管的工作频率超过 fM，单向导电性变差。
1.2.3
PN结的电容效应
PN结的结电容:在外加电压发生变化时，PN结耗尽层内的空间电 荷量和耗尽层外的载流子数目均发生变化的电容效应。 按产生的机理不同结电容可分为：
一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
一、势垒电容CB
指阻挡层中电荷量随外加电压变化而改变所呈 现的电容效应,用CB表示。CB的大小与PN结面积、 阻挡层宽度、半导体材料的介电常数有关， 且随外加反向电压变化而 变化。反向电压越大，CB 越小。 利用PN结的势垒电容 效应，可制造变容二极 管(压控可变电容器)
《模拟电子技术(童诗白)》课件ppt
V
-
uR
t
V UD
幅值由rd与R
分压决定
t
例题1：试求输出电压uo。
－12V
解：两个二极管存在优先 导通现象。
R
D1 －5V
D2 0V
D2导通，D1截止。
Si : Uon 0.7V uo Ge : Uon 0.2V
Si : uo 5.7V
?
Ge : uo 5.2V
例题2：试画出电压uo的波形。
EGO：热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称 禁带宽度 （Si：1.21eV，Ge：0.785eV）；
T=300K时，本征半导体中载流子的浓度比较低， 导电能力差。Si：1.43×1010cm-3 Ge：2.38×1013cm-3
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二、杂质半导体
掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按 掺入杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体。
晶体结构是指晶体的周期性
§1.1 半导体基础知识
结构。即晶体以其内部原子、 离子、分子在空间作三维周
一、本征半导体
期性的规则排列为其最基本 的结构特征
纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
1、半导体
根据材料的导电能
si
力，可以将他们划分为
GGee
导体、绝缘体和半导体。
典型的半导体是硅Si和 锗Ge，它们都是四价元
i
u IZmin
正向导通与
一定值时，稳压管就不会因发 热而损坏。
二极管相同 等效电路：
D1
u
符号：
D2
UZ rz
DZ
2、主要参数
（1）稳压值UZ；
（2）稳定电流IZ（IZmin）：电流小于此值时稳压效
半导体物理
半导体物理考点归纳第一章 半导体中的电子状态一．名词解释1.电子的共有化运动：（P10）原子组成晶体后，由于电子壳的交叠，电子不再局限于某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去。
因而，电子可以在整个晶体中运动。
这种运动称为电子的共有化运动。
2.单电子近似：（P11）单电子近似方法认为，晶体中德电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场，以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场是周期性变化的，且其周期与晶格周期相同。
3.有效质量：（P19）有效质量2*22n h m d Edk =，它直接把外力f 和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括。
二．判断题1.金刚石和闪锌矿结构的结晶学原胞都是双原子复式格子，而纤锌矿结构与闪锌矿结构型类似，以立方对称的正四面体结构为基础。
（X ）金刚石型结构为单原子复式格子，纤锌矿型是六方对称的。
2.硅晶体属于金刚石结构。
（√）3.Ge 的晶格是单式格子。
（X ） （复式）4.有效质量都是正的。
（X ） （有正有负）5.能带越窄，有效质量越小。
（X ）（2*22n h m d Edk =，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大） 6.硅锗都是直接带隙半导体。
（X ） （间接）7.Ge 和Si 的价带极大值均位于布里渊区的中心，价带中空穴主要分布在极大值附近，对应同一个k 值，()E k 可以有两个值。
8.实际晶体的每个能带都同孤立原子的某个能级相当，实际晶体的能带完全对应于孤立原子的能带。
（X ） （不相当，不完全对应）三．填空题1.晶格可以分为7大晶系，14种布拉菲格子，按照每个格子所包含的各点数，可分为原始格子，体心，面心，底心。
2.如今热门的发光材料LED 是直接带隙半导体，该种材料的能带结构特点是当k=0时的能谷的极值小。
3.Ge 、Si 是间接带隙半导体，InSb 、GaAs 是直接带隙半导体。
4.回旋共振实验中能测出明显的共振吸收峰，就要求样品纯度高，而且要在低温下进行。
半导体物理与器件公式以及参数
半导体物理与器件公式以及参数KT=0.0259ev N c=2.8∗1019N v=1.04∗1019 SI材料的禁带宽度为：1.12ev. 硅材料的n i=1.5∗1010Ge材料的n i=2.4∗1013 GaAs材料的n i=1.8∗106介电弛豫时间函数：瞬间给半导体某一表面增加某种载流子，最终达，最终通过证到电中性的时间，ρ(t)=ρ(0)e−(t/τd)，其中τd=ϵσ明这个时间与普通载流子的寿命时间相比十分的短暂，由此就可以证明准电中性的条件。
E F热平衡状态下半导体的费米能级，E Fi本征半导体的费米能级，重新定义的E Fn是存在过剩载流子时的准费米能级。
准费米能级：半导体中存在过剩载流子，则半导体就不会处于热平衡状态，费米能级就会发生变化，定义准费米能级。
n0+∆n=n i exp(E Fn−E Fi) p0+∆p=kT]n i exp[−(E Fp−E Fi)kT用这两组公式求解问题。
通过计算可知，电子的准费米能级高于E Fi，空穴的准费米能级低于E Fi，对于多子来讲，由于载流子浓度变化不大，所以准费米能级基本靠近热平衡态下的费米能级，但是对于少子来讲，少子浓度发生了很大的变化，所以费米能级有相对比较大的变化，由于注入过剩载流子，所以导致各自的准费米能级都靠近各自的价带。
过剩载流子的寿命：半导体材料：半导体材料多是单晶材料，单晶材料的电学特性不仅和化学组成相关而且还与原子排列有关系。
半导体基本分为两类，元素半导体材料和化合物半导体材料。
GaAs主要用于光学器件或者是高速器件。
固体的类型：无定型（个别原子或分子尺度内有序）、单晶（许多原子或分子的尺度上有序）、多晶（整个范围内都有很好的周期性），单晶的区域成为晶粒，晶界将各个晶粒分开，并且晶界会导致半导体材料的电学特性衰退。
空间晶格：晶格是指晶体中这种原子的周期性排列，晶胞就是可以复制出整个晶体的一小部分晶体，晶胞的结构可能会有很多种。